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"Procédé et dispositif pour revêtir ou nettoyer un substrat"
L'invention concerne un procédé pour la formation par pulvérisation cathodique d'un revêtement sur un substrat, ledit substrat étant placé dans une chambre qui est ensuite amenée et maintenue durant ladite formation à une pression inférieure à 1 Pa et dans laquelle un plasma est généré, un champ électrique étant appliqué dans ladite chambre entre une cathode à pulvériser et une anode, un champ magnétique sensiblement perpendiculaire au champ électrique étant également appliqué au moins au niveau de la cathode de manière à réaliser un circuit de confinement magnétique des électrons,
et une zone de résonance cyclotron des électrons étant créée à proximité de la cathode en appliquant un champ électromagnétique dans la gamme de fréquences micro-ondes et dont la fréquence d'ondes correspond à la fréquence cyclotron des électrons dans le champ magnétique.
L'invention concerne également un procédé de nettoyage par bombardement ionique d'un substrat, ledit substrat étant placé dans une chambre qui est ensuite amenée et maintenue durant ledit nettoyage à une pression inférieure à 1 Pa et dans laquelle un plasma est généré, un champ électrique étant appliqué dans ladite chambre entre une anode et ledit substrat servant de cathode, un champ magnétique sensiblement perpendiculaire au champ électrique étant également appliqué au moins au niveau de la cathode de manière à réaliser un circuit de confinement magnétique des électrons,
et une zone de résonance cyclotron des électrons est créée à
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proximité de la cathode en appliquant un champ électromagnétique dans la gamme de fréquences micro-ondes et dont la fréquence d'ondes correspond à la fréquence cyclotron des électrons dans le champ magnétique.
L'invention concerne enfin un dispositif pour l'application du procédé.
De tels procédés et dispositifs sont connus de la demande de brevet européen nO0563609. Ces procédés sont généralement appelés"plasma sputtering" ou"plasma etching"lorsqu'il s'agit de revêtir ou de nettoyer un substrat. La vitesse de dépôt sur le substrat ou la vitesse à laquelle le substrat est nettoyé est, en pulvérisation cathodique, directement liée au taux d'ionisation dans la décharge et donc à la densité du courant de cible ou de cathode. La densité de courant maximale que l'on peut atteindre pour des raisons de stabilité du plasma dépend fortement des conditions d'excitation du gaz formant le plasma.
Ainsi la présence d'un champ magnétique appliqué au moins au niveau de la cathode et qui permet de réaliser un circuit de confinement magnétique des électrons offre la possibilité d'augmenter la densité de courant de cible et/ou de diminuer la tension de cible.
La présence du champ électromagnétique dans la gamme de fréquences micro-ondes appliquée simultanément avec le champ magnétique crée un phénomène de résonance cyclotron des électrons qui permet d'accroître leur énergie. Puisque la fréquence d'onde correspond à la fréquence cyclotron des électrons dans le champ magnétique, l'énergie du champ électromagnétique sera au moins partiellement absorbée par ces derniers. Leur rayon de giration augmente ainsi avec la croissance de l'énergie cinétique permettant une amplification des collisions ionisantes. Ainsi donc le taux d'ionisation va s'accroître ce qui permettra à la
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vitesse de dépôt de s'accroître, augmentant ainsi le rendement du procédé.
Un inconvénient du procédé ou du dispositif connu est que lorsque la puissance du champ électromagnétique est augmentée, la densité du plasma augmente également et le plasma devient ainsi réfléchissant pour les micro-ondes qui de ce fait sont réfléchis vers la source génératrice de micro-ondes. Le couplage de l'énergie du champ électromagnétique est ainsi limité en-dessous d'un seuil qui correspond à une densité de
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12 3 plasma maximale de l'ordre de 1012 cm-3.
L'invention a pour but de réaliser un procédé de formation par pulvérisation cathodique ou de nettoyage par bombardement ionique d'un substrat, ainsi qu'un dispositif pour l'application de ce procédé
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12 3 permettant des densités de plasma supérieures à 1012 cm-
A cette fin, un procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que la fréquence d'onde des micro-ondes appliquée est supérieure à 2,45 GH et inférieure à 45 GHz, en particulier 28,5 GHz. En appli-
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quant une fréquence d'onde supérieure à 2, 45 GHz, le plasma devient"transparent"pour le champ électromagné- tique et ne réfléchira plus le rayonnement des microondes qui traverseront donc le plasma.
En particulier une densité de plasma de 1013 cm' correspond à une fréquence plasma de 28,5 GHz.
Suivant une solution alternative le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que la puissance du champ électromagnétique micro-onde est directement couplée dans ladite zone de résonance cyclotron. En couplant la puissance du champ électromagnétique micro-onde directement dans la zone de résonance cyclotron des électrons, l'énergie des micro-ondes est directement absorbée dans cette zone ce qui évite leur réflexion par le plasma et permet donc d'accroître la densité du plasma.
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Une forme particulière de réalisation d'un dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour limiter la diffusion du plasma en dehors de ladite zone de résonance cyclotron dans la direction de ladite source. En limitant la diffusion du plasma, le transfert de l'énergie des micro-ondes n'est pas gênée dans son trajet vers la zone de résonance ce qui permet alors d'augmenter la densité du plasma.
Une forme préférentielle de réalisation d'un dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce que lesdits moyens pour limiter la diffusion du plasma comportent des éléments en forme d'écran électriquement isolés entre eux et par rapport à un guide d'onde reliant ladite source à ladite zone de résonance, lesdits éléments étant disposés dans le guide d'onde perpendiculairement aux lignes de champ électrique dudit champ électromagnétique. De tels éléments sont faciles à monter et limitent de façon efficace la diffusion du plasma.
Une autre forme préférentielle de réalisation d'un dispositif suivant l'invention est caractérisée en ce que lesdits moyens de diffusion comportent au moins une antenne disposée à travers la cathode et dont une extrémité est située dans la zone de résonance cyclotron des électrons. Une telle antenne permet un couplage direct de la puissance micro-ondes dans la zone' de résonance ce qui empêche la réflexion de ces dernières.
Une autre forme préférentielle d'un dispositif suivant l'invention est caractérisée en ce qu'entre la source de micro-ondes et la chambre est aménagée une zone tampon destinée à protéger la source de micro-ondes d'une contamination par la substance pulvérisée de la cathode.
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L'invention sera maintenant décrite plus en détail à l'aide des dessins, dans lesquels :
La figure 1 représente schématiquement le dispositif de formation d'un revêtement suivant l'état de la technique ;
La figure 2 illustre schématiquement la trajectoire d'un électron dans la chambre ;
La figure 3 montre deux courbes illustrant le déplacement de la caractéristique électrique mesuré entre cathode et anode en fonction de la puissance P appliquée par rayonnement électromagnétique micro-ondes ;
La figure 4 représente schématiquement un dispositif pourvu d'une zone tampon.
La figure 5 respectivement 7 représente schématiquement un dispositif suivant l'invention pourvu de moyens pour limiter la diffusion du plasma ; et
La figure 6 représente schématiquement un dispositif suivant l'invention pourvu d'antennes de couplage.
Dans les dessins, une même référence a été attribuée à un même élément ou à un élément analogue.
Le dispositif illustré à la figure 1 comporte une chambre 9 dans laquelle sont disposées une cathode 2 et une anode 3. La cathode et l'anode sont montées sur des supports (non repris dans le dessin) de façon à pouvoir les remplacer facilement. La cathode et l'anode sont reliées de façon conventionnelle à une' source de tension électrique, également non représentée dans le dessin, afin d'établir un champ électrique entre cathode et anode. Lorsque le dispositif est utilisé pour revêtir un substrat par pulvérisation cathodique, l'anode est formée de préférence par le substrat à revêtir. Au cas où l'anode ne forme pas le substrat à revêtir, l'anode est située dans l'espace entre la cathode et le substrat à revêtir.
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Il va de soi que d'autres formes de réalisation sont possibles, comme, par exemple, que l'anode soit une anode classique et le substrat soit introduit dans la chambre entre cathode et anode.
Lorsque le dispositif est utilisé pour nettoyer par bombardement ionique un substrat, le substrat est constitué de préférence par la cathode.
La chambre est reliée à une source 7 de gaz, par exemple du gaz argon ou un mélange de gaz éventuellement réactif. La source de gaz sert à injecter du gaz dans la chambre et à générer ainsi un plasma dans le volume entre cathode et anode.
Des aimants permanents 4,5, 6 sont placés au voisinage de la cathode 2. Ces aimants permettent de créer dans la chambre et au moins au niveau de la cathode un champ magnétique sensiblement perpendiculaire au champ électrique. Les lignes de champs du champ magnétique sont reprises à la figure 1 et désignées par la lettre B. Le champ magnétique est appliqué de telle façon à réaliser dans la chambre entre cathode et anode un circuit de confinement magnétique des électrons. Ce champ magnétique permet d'atteindre une densité de courant de cible beaucoup plus élevée que celle atteinte par un champ électrique seul.
Dans le champ d'induction magnétique, les électrons vont décrire une trajectoire de forme hélicoi- dale à rayon constant pour autant que l'intensité de ce champ soit elle-même sensiblement constante. Les électrons décrivent ainsi une trajectoire plus longue dans la chambre, ce qui offre une probabilité plus élevée de collision entre un électron et une molécule ou atome de gaz et donc une croissance du taux d'ionisation.
Au lieu d'utiliser des aimants permanents, il est également possible de créer le champ magnétique à l'aide de bobines dans lesquelles circule un courant
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électrique. Les bobines sont alors placées au niveau de la cathode.
Afin de créer une basse pression à l'intérieur de la chambre, le dispositif comporte une pompe 10 reliée à la chambre. Durant la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, la chambre est ainsi maintenue à une pression inférieure à 1 Pa.
Le dispositif suivant l'invention comporte également une source 8 génératrice de micro-ondes.
Cette source est agencée pour introduire à travers une fenêtre ou par l'intermédiaire d'une antenne, un champ électromagnétique dans la gamme de la fréquence microonde dans la chambre. Pour obtenir une zone de résonance cyclotron des électrons (ECR) à proximité de la cathode, il convient que la fréquence f d'onde du champ électromagnétique émises par le générateur de microondes corresponde à la fréquence cyclotron des électrons dans le champ magnétique, c'est-à-dire :
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où respectivement e et m représentent la charge et la masse de l'électron, B étant la grandeur du champ magnétique. Ainsi, par exemple, pour un champ magnétique B = 875 Gauss, la valeur de la fréquence sera : f = 2, 45. 10 Hz.
De préférence, le champ électromagnétique est polarisé dans le même sens que celui de la rotation d'un électron dans le champ magnétique. L'énergie ainsi introduite par les micro-ondes peut être pratiquement absorbée totalement.
Le fait d'induire un champ électromagnétique dans la gamme de fréquences micro-ondes dans la chambre aura pour conséquence que, si la fréquence d'onde correspond à la fréquence de giration de l'électron dans le champ magnétique, la trajectoire de forme
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hélicoïdale à rayon constant que décrit l'électron va se transformer en une trajectoire en forme de spirale dont le rayon croît à chaque révolution car les électrons augmentent leur énergie cinétique par absorption de l'énergie électromagnétique lors du processus de résonance cyclotron. Une telle trajectoire est illustrée à la figure 2. Ce phénomène permet un accroissement du nombre de collisions ionisantes dans la chambre.
L'augmentation du nombre de collisions ionisantes entre les électrons et les molécules ou atomes de gaz conduit à une augmentation du taux d'ionisation du plasma.
Etant entendu que le circuit de confinement magnétique des électrons et la zone de résonance cyclotron des électrons sont à proximité de la cathode, c'est à cet endroit que l'augmentation du taux d'ionisation du plasma sera réalisé.
La croissance du taux d'ionisation dans le plasma ainsi obtenue permet d'atteindre une densité de courant cathodique beaucoup plus élevée que celle obtenue par la pulvérisation cathodique magnétron classique ou par un nettoyage par bombardement ionique magnétron classique. Le procédé permet donc à courant constant de diminuer l'impédance de la décharge et donc de réduire les pertes causées par l'échauffement du substrat dues au bombardement ionique. On peut ainsi
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2 atteindre une densité de courant de 300 mA/cm2, ce qui en pulvérisation cathodique correspond à une vitesse de dépôt dix fois supérieure aux vitesses de dépôt maximales réalisées à ce jour en pulvérisation cathodique magnétron classique.
La figure 3 illustre la relation entre la tension de cible (V) et le courant (I) de cible.
L'augmentation du taux d'ionisation appliquée au plasma par l'introduction du champ électromagnétique dans la gamme de fréquences micro-ondes permet donc de passer de la courbe de puissance P (sans micro-onde) à la courbe
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de puissance P2 (avec micro-onde). On constate donc qu'à vitesse de dépôt constante correspondant à un courant (I) constant, la tension V est plus faible du fait de la réduction de l'impédance du plasma mesurée entre cathode et anode.
Toutefois, à puissance élevée la réflexion en retour vers la source génératrice de micro-onde de la puissance du champ électromagnétique pose un problème.
A forte puissance, la densité du plasma augmente suffisamment pour que celui-ci devienne réfléchissant pour les micro-ondes ce qui limite en pratique le couplage 'énergie micro-ondes en dessous d'un certain seuil correspondant à une densité de plasma maximale de
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12 3 l'ordre de 1012 cm-3. Des densités de plasma plus élevées et notamment de l'ordre de 1013 cm' ne peuvent donc pas être obtenues au moyen des dispositifs connus.
Dans les dispositifs conventionnels qui fonctionnent avec un couplage micro-ondes à 2. 45GHz et qui font usages de guides d'ondes le problème réside dans le fait que le plasma qui a la possibilité de diffuser au-delà de la zone de résonance cyclotron des électrons devient une barrière d'autant plus réfléchissante pour les micro-ondes que la densité du plasma en dehors de la zone de résonance est élevée. C'est à cause de ce phénomène que la densité du plasma sature très
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12 3 rapidement à une valeur maximale inférieure à 10 cm-3.
Différentes solutions pour remédier à ce problème sont possibles.
Une première solution consiste à augmenter suffisamment la fréquence du champ électromagnétique pour que le plasma ne soit pas réfléchissant vis-à-vis du rayonnement électromagnétique dans la gamme de densité de plasma recherchée. A fréquence suffisamment élevée, le plasma sera"transparent"pour le rayonnement. En effet, la constante diélectrique du plasma est donnée par la formule suivante :
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Np, e,m,e,fR,f représentent respectivement la densité du plasma, la charge d'un électron, la masse d'un électron, la constante diélectrique du vide, la fréquence naturelle du plasma et la fréquence micro-
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onde.
Lorsque zu > < alors 0 < Ep < 1 et les micro-ondes peuvent traverser le plasma alors que dans le cas contraire où ô < < la valeur de Ep sera nécessairement ep < 0, ce qui indique que le milieu devient réfléchissant pour les micro-ondes.
Le dispositif suivant l'invention utilise dès lors une source génératrice de micro-ondes ayant une fréquence d'excitation micro-ondes supérieure à 2,45 GHz et plus particulièrement comprise entre 2,45 GHz et 45 GHz. Ainsi à une fréquence de 28,5 GHz correspond une
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13 3 densité de plasma fR = 1013 cm-3. En augmentant la fré- quence des micro-ondes il faut également accroître la valeur du champ d'induction afin de conserver la résonance cyclotron des électrons. Ainsi à 28,5 GHz la valeur du champ d'induction doit être de 9000 gauss pour obtenir un couplage par résonance cyclotron des électrons dans la décharge.
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Une deuxième solution consiste à créer une barrière à la diffusion du plasma en dehors de la zone de résonance cyclotron (zone ECR) dans la direction du guide d'onde.
La figure 5 illustre à cette fin une forme de réalisation d'un dispositif suivant l'invention où des moyens pour limiter cette diffusion sont prévus. Ces moyens comprennent une juxtaposition d'éléments 20 distincts électriquement isolés entre-eux et par rapport au guide d'onde 21 qui relie la source 8 à la zone de résonance cyclotron. Ces éléments 20 sont disposés de façon perpendiculaire aux lignes de champ électrique du champ électromagnétique polarisé des micro-ondes dans le guide d'ondes. Ces éléments sont à l'extrémité du guide d'onde de manière à y empêcher la diffusion du plasma.
Ces éléments permettent ainsi d'appliquer la puissance emportée par les micro-ondes directement dans la zone de résonance cyclotron des électrons sans qu'une réflexion ne soit possible étant donné que dans cette zone où le couplage ECR à lieu, l'énergie du rayonnement microondes peut être absorbée de manière importante, ce qui ne serait pas le cas pour un plasma de même densité situé en dehors de cette zone de résonance. Par adjonction de ces éléments au double système d'excitation (DC - micro-ondes), la densité du plasma peut atteindre des
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12 3 valeurs supérieures à 1012 cm-.
La figure 6 illustre une autre forme de réalisation d'un dispositif suivant l'invention où la puissance du rayonnement micro-ondes est appliquée directement dans la zone de résonance et à proximité de l'électrode aux moyens d'applicateurs ou d'antennes 22.
La puissance du champ électromagnétique micro-ondes est ainsi directement couplée dans la zone de résonance cyclotron des électrons. A ces formes préférentielles de réalisation peut encore s'ajouter la présence d'éléments modifiant la direction et la valeur du champ d'induction
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de manière à distribuer la zone de résonance de manière optimale soit à proximité des éléments qui empêchent la propagation du plasma entre la zone de résonance et le guide d'ondes, soit à proximité des antennes.
Comme illustré à la figure 6, les antennes de couplage 22 traversent les aimants 23,24, et 25 qui produisent le champ magnétique ainsi que la cathode 2.
L'une extrémité des antennes 22 aboutit directement dans la zone de résonance cyclotron, ce qui permet aux microondes d'être ainsi directement injectées dans cette zone et d'éviter ainsi leur réflexion sur le plasma. Ces antennes sont disposées de telle façon qu'elles aboutissent directement dans la zone ECR à proximité de la cathode 2.
La figure 7 illustre un dispositif correspondant dans sa structure à celui illustré à la figure 5. Ce dispositif se distingue de celui de la figure 5 par la présence de lentilles magnétiques 26 servant également à limiter la diffusion du plasma en dehors de la zone de résonance cyclotron.
La figure 4 illustre une autre forme de réalisation d'un dispositif suivant l'invention. La source génératrice de micro-ondes est reliée à la chambre 9 à l'aide d'un guide d'onde 10 dans lequel est également montée une fenêtre 12 transparente aux microondes. Le guide d'onde est suivi d'une zone 11 tampon (baffle) destinée à protéger la fenêtre 12 contre une contamination par la substance pulvérisée. La source de micro-onde est alors placée en aval de la zone tampon par rapport à la chambre 9.
Un gaz neutre, par exemple de l'argon, peut, le cas échéant, être introduit dans ladite zone afin d'accroître la protection contre toute contamination éventuelle de la source. De préférence, la zone présente une courbure, ce qui contribue davantage à la protection contre une contamination.
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La cible ou cathode peut avoir différentes configurations. Ainsi, elle peut avoir soit une configuration plane rectangulaire ou circulaire, soit cylindrique ou avec une cathode creuse.
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"Method and device for coating or cleaning a substrate"
The invention relates to a method for sputtering a coating on a substrate, said substrate being placed in a chamber which is then brought and maintained during said formation at a pressure below 1 Pa and in which a plasma is generated. , an electric field being applied in said chamber between a cathode to be sprayed and an anode, a magnetic field substantially perpendicular to the electric field also being applied at least at the level of the cathode so as to produce a circuit for the magnetic confinement of electrons,
and an electron cyclotron resonance zone being created near the cathode by applying an electromagnetic field in the microwave frequency range and whose wave frequency corresponds to the cyclotron frequency of the electrons in the magnetic field.
The invention also relates to a method of cleaning by ion bombardment of a substrate, said substrate being placed in a chamber which is then brought and maintained during said cleaning at a pressure below 1 Pa and in which a plasma is generated, a field electric being applied in said chamber between an anode and said substrate serving as cathode, a magnetic field substantially perpendicular to the electric field also being applied at least at the level of the cathode so as to produce a circuit for magnetic confinement of electrons,
and an electron cyclotron resonance zone is created at
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proximity to the cathode by applying an electromagnetic field in the microwave frequency range, the wave frequency of which corresponds to the cyclotron frequency of the electrons in the magnetic field.
The invention finally relates to a device for applying the method.
Such methods and devices are known from European patent application No. 0563609. These processes are generally called "plasma sputtering" or "plasma etching" when it comes to coating or cleaning a substrate. The rate of deposition on the substrate or the rate at which the substrate is cleaned is, in sputtering, directly related to the rate of ionization in the discharge and therefore to the density of the target or cathode current. The maximum current density that can be achieved for reasons of plasma stability is highly dependent on the conditions of excitation of the gas forming the plasma.
Thus the presence of a magnetic field applied at least at the cathode and which makes it possible to produce a magnetic confinement circuit for the electrons offers the possibility of increasing the target current density and / or of decreasing the target voltage.
The presence of the electromagnetic field in the microwave frequency range applied simultaneously with the magnetic field creates a phenomenon of electron cyclotron resonance which increases their energy. Since the wave frequency corresponds to the cyclotron frequency of the electrons in the magnetic field, the energy of the electromagnetic field will be at least partially absorbed by them. Their radius of gyration thus increases with the growth of the kinetic energy allowing an amplification of the ionizing collisions. So the ionization rate will increase which will allow the
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deposition rate to increase, thereby increasing the yield of the process.
A disadvantage of the known method or device is that when the power of the electromagnetic field is increased, the density of the plasma also increases and the plasma thus becomes reflective for microwaves which are therefore reflected towards the microwave generating source. . The coupling of the energy of the electromagnetic field is thus limited below a threshold which corresponds to a density of
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12 3 maximum plasma of the order of 1012 cm-3.
The object of the invention is to carry out a method of sputtering formation or cleaning by ion bombardment of a substrate, as well as a device for the application of this method.
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12 3 allowing plasma densities greater than 1012 cm-
To this end, a method according to the invention is characterized in that the microwave frequency applied is greater than 2.45 GH and less than 45 GHz, in particular 28.5 GHz. In application
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at a wave frequency greater than 2.45 GHz, the plasma becomes "transparent" to the electromagnetic field and will no longer reflect the radiation of the microwaves which will therefore pass through the plasma.
In particular, a plasma density of 1013 cm 'corresponds to a plasma frequency of 28.5 GHz.
According to an alternative solution the method according to the invention is characterized in that the power of the microwave electromagnetic field is directly coupled in said cyclotron resonance zone. By coupling the power of the microwave electromagnetic field directly into the cyclotron resonance zone of the electrons, the energy of the microwaves is directly absorbed in this zone which avoids their reflection by the plasma and therefore makes it possible to increase the density of the plasma.
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A particular embodiment of a device according to the invention is characterized in that it comprises means for limiting the diffusion of the plasma outside of said cyclotron resonance zone in the direction of said source. By limiting the diffusion of the plasma, the transfer of microwave energy is not hampered in its path towards the resonance zone, which then makes it possible to increase the density of the plasma.
A preferred embodiment of a device according to the invention is characterized in that said means for limiting the diffusion of the plasma comprise screen-shaped elements electrically isolated from each other and with respect to a waveguide connecting said source to said resonance zone, said elements being arranged in the waveguide perpendicular to the electric field lines of said electromagnetic field. Such elements are easy to mount and effectively limit the diffusion of the plasma.
Another preferred embodiment of a device according to the invention is characterized in that said diffusion means comprise at least one antenna arranged through the cathode and one end of which is located in the cyclotron resonance zone of the electrons. Such an antenna allows direct coupling of the microwave power in the resonance zone which prevents reflection of the latter.
Another preferred form of a device according to the invention is characterized in that between the microwave source and the chamber is provided a buffer zone intended to protect the microwave source from contamination by the sprayed substance of the cathode.
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The invention will now be described in more detail using the drawings, in which:
FIG. 1 schematically represents the device for forming a coating according to the state of the art;
Figure 2 schematically illustrates the trajectory of an electron in the chamber;
FIG. 3 shows two curves illustrating the displacement of the electrical characteristic measured between cathode and anode as a function of the power P applied by electromagnetic microwave radiation;
FIG. 4 schematically represents a device provided with a buffer zone.
FIG. 5 respectively 7 schematically represents a device according to the invention provided with means for limiting the diffusion of the plasma; and
FIG. 6 schematically represents a device according to the invention provided with coupling antennas.
In the drawings, the same reference has been assigned to the same element or to an analogous element.
The device illustrated in Figure 1 comprises a chamber 9 in which are arranged a cathode 2 and an anode 3. The cathode and the anode are mounted on supports (not shown in the drawing) so that they can be replaced easily. The cathode and the anode are conventionally connected to a source of electrical voltage, also not shown in the drawing, in order to establish an electric field between cathode and anode. When the device is used to coat a substrate by sputtering, the anode is preferably formed by the substrate to be coated. If the anode does not form the substrate to be coated, the anode is located in the space between the cathode and the substrate to be coated.
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It goes without saying that other embodiments are possible, such as, for example, that the anode is a conventional anode and the substrate is introduced into the chamber between cathode and anode.
When the device is used to clean a substrate by ion bombardment, the substrate preferably consists of the cathode.
The chamber is connected to a source 7 of gas, for example argon gas or an optionally reactive gas mixture. The gas source is used to inject gas into the chamber and thus generate a plasma in the volume between cathode and anode.
Permanent magnets 4, 5, 6 are placed in the vicinity of the cathode 2. These magnets make it possible to create in the chamber and at least at the level of the cathode a magnetic field substantially perpendicular to the electric field. The field lines of the magnetic field are shown in Figure 1 and designated by the letter B. The magnetic field is applied in such a way as to produce in the chamber between cathode and anode a circuit for the magnetic confinement of electrons. This magnetic field achieves a much higher target current density than that achieved by an electric field alone.
In the magnetic induction field, the electrons will describe a helical shape trajectory with a constant radius, provided that the intensity of this field is itself substantially constant. The electrons thus describe a longer trajectory in the chamber, which offers a higher probability of collision between an electron and a molecule or atom of gas and therefore a growth in the rate of ionization.
Instead of using permanent magnets, it is also possible to create the magnetic field using coils in which a current flows
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electric. The coils are then placed at the level of the cathode.
In order to create a low pressure inside the chamber, the device comprises a pump 10 connected to the chamber. During the implementation of the method according to the invention, the chamber is thus maintained at a pressure of less than 1 Pa.
The device according to the invention also comprises a source 8 generating microwaves.
This source is arranged to introduce through a window or through an antenna, an electromagnetic field in the range of the microwave frequency in the room. To obtain an electron cyclotron resonance zone (ECR) near the cathode, the wave frequency f of the electromagnetic field emitted by the microwave generator should correspond to the cyclotron frequency of the electrons in the magnetic field, c ' is to say:
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where e and m respectively represent the charge and the mass of the electron, B being the magnitude of the magnetic field. Thus, for example, for a magnetic field B = 875 Gauss, the value of the frequency will be: f = 2, 45. 10 Hz.
Preferably, the electromagnetic field is polarized in the same direction as that of the rotation of an electron in the magnetic field. The energy thus introduced by the microwaves can be practically completely absorbed.
Inducing an electromagnetic field in the microwave frequency range in the chamber will have the consequence that, if the wave frequency corresponds to the frequency of gyration of the electron in the magnetic field, the shape trajectory
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helical constant radius that describes the electron will transform into a spiral-shaped trajectory whose radius increases with each revolution because the electrons increase their kinetic energy by absorption of electromagnetic energy during the cyclotron resonance process. Such a trajectory is illustrated in Figure 2. This phenomenon allows an increase in the number of ionizing collisions in the chamber.
The increase in the number of ionizing collisions between electrons and molecules or atoms of gas leads to an increase in the ionization rate of the plasma.
It being understood that the magnetic confinement circuit of the electrons and the cyclotron resonance zone of the electrons are near the cathode, this is where the increase in the plasma ionization rate will be achieved.
The growth of the ionization rate in the plasma thus obtained makes it possible to achieve a cathode current density much higher than that obtained by conventional magnetron sputtering or by cleaning by conventional magnetron ion bombardment. The process therefore makes it possible, at constant current, to reduce the impedance of the discharge and therefore to reduce the losses caused by the heating of the substrate due to ion bombardment. We can thus
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2 reach a current density of 300 mA / cm 2, which in sputtering corresponds to a deposition rate ten times greater than the maximum deposition rates achieved to date in conventional magnetron sputtering.
Figure 3 illustrates the relationship between the target voltage (V) and the target current (I).
The increase in the ionization rate applied to the plasma by the introduction of the electromagnetic field into the microwave frequency range therefore makes it possible to pass from the power curve P (without microwave) to the curve
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power P2 (with microwave). It can therefore be seen that at a constant deposition rate corresponding to a constant current (I), the voltage V is lower due to the reduction in the plasma impedance measured between the cathode and the anode.
However, at high power the reflection back to the microwave generating source of the electromagnetic field power poses a problem.
At high power, the density of the plasma increases sufficiently for it to become reflective for microwaves, which in practice limits the coupling of microwave energy below a certain threshold corresponding to a maximum plasma density of
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12 3 in the order of 1012 cm-3. Higher plasma densities and in particular of the order of 1013 cm 'cannot therefore be obtained by means of known devices.
In conventional devices which operate with a microwave coupling at 2.45 GHz and which make use of waveguides the problem lies in the fact that the plasma which has the possibility of diffusing beyond the cyclotron resonance zone of the electrons become a barrier all the more reflective for microwaves as the density of the plasma outside the resonance zone is high. It is because of this phenomenon that the density of the plasma saturates very
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12 3 quickly to a maximum value of less than 10 cm-3.
Different solutions to remedy this problem are possible.
A first solution consists in increasing the frequency of the electromagnetic field sufficiently so that the plasma is not reflective with respect to the electromagnetic radiation in the desired plasma density range. At a sufficiently high frequency, the plasma will be "transparent" for the radiation. Indeed, the plasma dielectric constant is given by the following formula:
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Np, e, m, e, fR, f represent respectively the density of the plasma, the charge of an electron, the mass of an electron, the dielectric constant of the vacuum, the natural frequency of the plasma and the frequency micro-
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wave.
When zu> <then 0 <Ep <1 and the microwaves can cross the plasma whereas in the opposite case where ô <<the value of Ep will necessarily be ep <0, which indicates that the medium becomes reflective for the micro -waves.
The device according to the invention therefore uses a microwave generating source having a microwave excitation frequency greater than 2.45 GHz and more particularly between 2.45 GHz and 45 GHz. Thus at a frequency of 28.5 GHz corresponds a
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13 3 plasma density fR = 1013 cm-3. By increasing the frequency of microwaves it is also necessary to increase the value of the induction field in order to preserve the cyclotron resonance of the electrons. Thus at 28.5 GHz the value of the induction field must be 9000 gauss to obtain a coupling by cyclotron resonance of the electrons in the discharge.
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A second solution consists in creating a barrier to the diffusion of the plasma outside the cyclotron resonance zone (ECR zone) in the direction of the waveguide.
FIG. 5 illustrates to this end an embodiment of a device according to the invention where means for limiting this diffusion are provided. These means comprise a juxtaposition of separate elements 20 electrically isolated from each other and with respect to the waveguide 21 which connects the source 8 to the cyclotron resonance zone. These elements 20 are arranged perpendicular to the electric field lines of the polarized electromagnetic field of the microwaves in the waveguide. These elements are at the end of the waveguide so as to prevent the diffusion of the plasma there.
These elements thus make it possible to apply the power carried by the microwaves directly into the cyclotron resonance zone of the electrons without any reflection being possible, given that in this zone where the ECR coupling takes place, the energy of the radiation microwaves can be absorbed significantly, which would not be the case for a plasma of the same density located outside this resonance zone. By adding these elements to the double excitation system (DC - microwave), the density of the plasma can reach
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12 3 values greater than 1012 cm-.
FIG. 6 illustrates another embodiment of a device according to the invention in which the power of the microwave radiation is applied directly to the resonance zone and near the electrode by means of applicators or antennas 22 .
The power of the microwave electromagnetic field is thus directly coupled in the cyclotron resonance zone of the electrons. To these preferred embodiments can also be added the presence of elements modifying the direction and the value of the induction field.
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so as to optimally distribute the resonance zone either near the elements which prevent the propagation of the plasma between the resonance zone and the waveguide, or near the antennas.
As illustrated in FIG. 6, the coupling antennas 22 pass through the magnets 23, 24, and 25 which produce the magnetic field as well as the cathode 2.
One end of the antennas 22 ends directly in the cyclotron resonance zone, which allows the microwaves to be thus directly injected into this zone and thus avoid their reflection on the plasma. These antennas are arranged in such a way that they terminate directly in the ECR zone near the cathode 2.
FIG. 7 illustrates a device corresponding in its structure to that illustrated in FIG. 5. This device differs from that of FIG. 5 by the presence of magnetic lenses 26 also serving to limit the diffusion of the plasma outside the resonance zone. cyclotron.
FIG. 4 illustrates another embodiment of a device according to the invention. The microwave generating source is connected to the chamber 9 using a waveguide 10 in which is also mounted a window 12 transparent to microwaves. The waveguide is followed by a buffer zone 11 (baffle) intended to protect the window 12 against contamination by the sprayed substance. The microwave source is then placed downstream of the buffer zone relative to the chamber 9.
A neutral gas, for example argon, can, if necessary, be introduced into said zone in order to increase the protection against any possible contamination of the source. Preferably, the area has a curvature, which further contributes to protection against contamination.
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The target or cathode can have different configurations. Thus, it can have either a flat rectangular or circular configuration, or cylindrical or with a hollow cathode.